Типы сплавов и их особенности

 

 

Технически чистые металлы имеют незначительную прочность и невысокие технологические свойства. В технике применяются чаще всего сплавы.

Сплавами называют вещества, полученные сплавлением двух или нескольких компонентов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекание, электролиз, возгонка. В этом случае вещества называются псевдосплавами.

В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.

Система – группа тел, выделяемых для наблюдения и изучения.

Компоненты – простые вещества (часто это химические элементы), образующие сплав. При сплавлении все компоненты сплава первоначально находятся в жидком состоянии, при спекании по крайней мере один из компонентов находится в твердом состоянии. В зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов в сплавах образуются фазы, число и тип которых характеризуют состояния сплава (строение, превращения и свойства).

Фаза – однородная часть системы (сплава), отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются. Например, жидкий металл является однофазной системой. В процессе кристаллизации система состоит из двух фаз: жидкой и твердой. При этом свойства фаз различаются. Фазами могут быть отдельные металлы или неметаллы, жидкие или твердые растворы, химические и другие соединения. В зависимости от числа фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными.

Правило фаз. Состояние сплава зависит от внешних условий (температуры, давления) и характеризуется числом образующихся фаз и их химическим составом. Возможность изменения внешних условий без изменения числа фаз, находящихся в равновесии, называется вариантностью, или числом степеней свободы системы. Общие закономерности существования фаз в равновесных условиях в математической форме выражаются правилом фаз или законом Гиббса:

C = K – F+ 2,

где К – число компонентов, образующих систему; F – число фаз, находящихся в равновесии; С – число степеней свободы (или вари-антность); 2 – число внешних факторов (температура, давление).

В металлических сплавах давление мало влияет на фазовое состояние, поэтому приведенное уравнение принимает вид

С = К – F+ 1.

Под структурой понимается строение металла, т.е. число фаз, их форма и размер, а также их взаимное расположение. Структурными составляющими сплава называются обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

По характеру взаимодействия компонентов различают сплавы: механические смеси, твердые растворы, химические соединения, промежуточные фазы.

Рис. 4.1. Схема микроструктуры механической смеси

При образовании механических смесей компоненты химически не взаимодействуют и не растворяются друг в друге в твердом состоянии. Металлографический анализ структуры обнаружит зерна каждого из входящих в состав сплава компонентов (рис. 4.1). Механические свойства смесей линейно зависят от соотношения компонентов, от размеров и формы фаз и являются промежуточными между свойствами чистых компонентов.

В твердых растворах компоненты растворяются друг в друге не только в жидком, но и в твердом состоянии. Микроструктура таких сплавов состоит из однородных зерен, имеющих кристаллическую решетку элемента растворителя. Аббревиатура вида А(В) означает твердый раствор, состоящий из компонентов А и В, причем компонент В растворен в кристаллической решетке компонента А. Механические свойства твердых растворов нелинейно зависят от соотношения компонентов. Они могут быть существенно выше (ниже) свойств любого из образующих сплав компонентов.

Рис. 4.2. Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б)

Твердые растворы могут быть растворами замещения и растворами внедрения. В растворах замещения атомы растворенного элемента замещают атомы элемента-растворителя в узлах его кристаллической решетки, в растворах внедрения – внедрены в межузельное пространство (рис. 4.2).

Растворы замещения могут быть ограниченными и неограниченными (непрерывными). В кристаллической решетке неограниченных твердых растворов А (В) атомы растворенного элемента В могут полностью заместить атомы растворителя А (компоненты А и В изоморфны). В данном случае невозможно установить, какой из элементов является растворителем, а какой – растворенным веществом. Поэтому аббревиатуры неограниченных растворов А (В) и В (А) идентичны.

Рис. 4.3. Схема микроструктуры твердого раствора

Твердый раствор состоит из однородных зерен (рис. 4.3). Твердые растворы близки по свойствам к металлу-растворителю. Они хорошо деформируются в холодном и в горячем состояниях.

Рис. 4.4. Кристаллическая решетка химического соединения

Химическое соединение образуется при определенном соотношении компонентов. Ему может быть приписана химическая формула, например AmBn, где m и n – число атомов компонентов А и В, образующих соединение (стехиометрические коэффициенты). Соединения имеет собственную кристаллическую решетку, отличную от решеток образовавших его элементов (рис. 4.4). Механические свойства сплава сильно отличаются от свойств каждого компонента. При этом возможны соединения типа металл-неметалл и металл-металл. Соединения металл-неметалл характеризуются ионным типом связи. Названия этих химических соединений определяются видом неметаллического элемента: нитрид – металла с азотом, карбид – соединение с углеродом, оксид – соединение с кислородом и т. д.

Соединения металл-металл называются интерметаллидами (CuAl₂). Они характеризуются металлическим типом связи. В узлах кристаллической решетки таких соединений располагаются положительно заряженные ионы, удерживаемые электронным газом.